風電齒輪箱行星架多圓弧結構的優(yōu)化設計研究

覃立，陳榮梅，郭勤濤

(1. 南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016；2. 南京安維士傳動技術股份有限公司，江蘇 南京 210019)

0 引言

在大型風電傳動系統(tǒng)中，行星架承擔著主軸傳遞過來的轉矩，是風電齒輪箱中承載最大的零部件，在工程應用中前臂和前軸聯(lián)接處時常會發(fā)生斷裂、疲勞等故障[1]。行星架作為齒輪箱中最重要的零部件之一，為了保證風力發(fā)電機20年的運行壽命，須保證行星架具有足夠的極限強度和疲勞強度[2]，因此行星架的強度設計研究具有重要意義。

在某些雙臂行星架中，在前臂和前軸聯(lián)接處設置有階梯軸結構，如圖1所示，以便于對支承行星架的滾動軸承軸向定位。顯然，在階梯軸的1、2兩處存在應力集中現(xiàn)象。在機械零部件中，通常采用過渡圓弧來改善該現(xiàn)象，常見過渡圓弧構型有單圓弧、雙圓弧和三圓弧等[3-4]。鑒于采用單圓弧過渡影響軸承裝配且應力降低效果不明顯。過渡多圓弧被作為一種低應力設計方案，但如何實現(xiàn)多圓弧參數(shù)優(yōu)化設計并提高優(yōu)化設計效率成為一個研究問題。

圖1 階梯軸結構

本文以兩種圓弧構型即圖1中1處采用雙圓弧、2處采用三圓弧為例進行多圓弧結構優(yōu)化設計研究。首先對多圓弧參數(shù)設計方法進行了研究，利用有限元和編程軟件實現(xiàn)行星架多圓弧結構的參數(shù)化建模，最后進行了優(yōu)化方法的探討。

1 多圓弧曲線的參數(shù)設計

為了準確描述多圓弧曲線的形狀和位置并保證設計參數(shù)之間相互獨立，以三圓弧曲線為例，推導其通用的幾何關系[5-8]，提取出設計參數(shù)。然后，利用該方法確定多圓弧結構的設計參數(shù)，為其優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。

1.1 三圓弧曲線的參數(shù)設計

圖2 三圓弧參數(shù)的示意圖

根據(jù)幾何關系，可以推出圓心O1(xO1,yO1)、O2(xO2,yO2)、O3(xO3,yO3)的坐標：

(1)

(2)

(3)

根據(jù)三圓弧的相切條件，可得

(4)

在圖2中，線段ED為與多圓弧相接的已知結構，以D點為原點，ED為x軸，建立坐標系x1Dy1，α為兩坐標系y軸相交形成的銳角。在三圓弧形狀確定時，α可以控制三圓弧結構的位置，需將其作為獨立變量，用公式(5)可將圓弧上點的坐標從坐標系x2Oy2轉換到坐標系x1Dy1上，即將坐標(x2,y2)轉換成坐標(x1,y1)。

(5)

因此，為了確定三圓弧曲線的位置和形狀，共需采用6個獨立變量。應用該參數(shù)設計方法，單圓弧和雙圓弧的獨立變量數(shù)目分別為3個和4個。此外，圓弧段數(shù)>3的多圓弧曲線也可利用上述方法確定獨立變量。

1.2 多圓弧結構的參數(shù)設計

多圓弧結構的母線如圖3所示，結合上一節(jié)的參數(shù)設計方法和實際位置約束(點A、D、F、H均固定不動)，該母線可用8個獨立參數(shù)描述，其中三圓弧段5個，兩圓弧段3個，其參數(shù)范圍如表1所示。

圖3 多圓弧結構的示意圖

表1 多圓弧結構的設計參數(shù)及范圍

2 行星架的應力分析

2.1 參數(shù)化建模及應力分析過程

圖4為聯(lián)合MATLAB和HyperWorks兩種軟件對多圓弧結構參數(shù)化建模的方法：利用MATLAB編程，用設計變量控制多圓弧曲線的形狀和位置，并調用MESH2D工具箱[9]生成多圓弧結構截面的二維網(wǎng)格模型，在HyperMesh中建立多圓弧結構和整體行星架的三維網(wǎng)格模型，此外還需利用MATLAB程序和HyperWorks的二次開發(fā)功能[10]保證參數(shù)化建模過程的可重復性。

圖4 行星架參數(shù)化建模及應力計算過程

圖5為行星架的有限元模型及邊界條件。許多學者對行星架的極限強度分析做了大量的工作[11-12]，本文不再贅述該過程。行星架的材料為QT700-2A，其疲勞極限為380MPa，材料局部安全系數(shù)為1.1，其他安全系數(shù)均考慮在載荷中，此時疲勞強度許用應力[σ]為345MPa。同時，分析應力類型為最大主應力[13]，且需用許用應力評判結構是否滿足強度要求。

圖5 行星架的有限元模型及邊界條件

2.2 多圓弧參數(shù)與應力、質量的變化關系

基于表1中的設計參數(shù)和圖4的應力分析過程，可以開展多圓弧參數(shù)與多圓弧結構上最大應力、質量之間的變化關系研究。

三圓弧的形狀和位置由5個獨立設計參數(shù)R1、R2、R3、α1和β1確定，固定兩圓弧的設計參數(shù)，此時可取R5=18mm，α2=80°，β2=18°。在設計參數(shù)的取值范圍內取等距的7個值，探究σl,max、σs,max和質量隨單一參數(shù)的變化規(guī)律，如圖6-圖8所示。

圖6 兩圓弧處最大應力與參數(shù)的變化關系

圖7 三圓弧處最大應力與參數(shù)的變化關系

圖8 參數(shù)化部分質量與參數(shù)的變化關系

從圖6-圖8中可以看出，兩圓弧處的應力值明顯高于三圓弧處，并可能超過許用應力值；質量和σl,max應力隨著參數(shù)R2、β1的增大而增大，隨著參數(shù)R1、R3、α1的增大而減小，σs,max的變化規(guī)律與之相反；5個參數(shù)對兩個圓弧段上的應力均有影響。其中，σl,max表示兩圓弧段上最大應力，σs,max表示三圓弧段上最大應力。另外，兩圓弧的參數(shù)也符合類似規(guī)律。

3 多圓弧結構的優(yōu)化設計

3.1 優(yōu)化問題的建立

基于2.2節(jié)中多圓弧參數(shù)與質量的變化規(guī)律可知，當R1=35mm，R2=15mm，R3=8mm，α1=65°，β1=7°，R5=14mm，α2=60°和β2=40°時，質量取最小值0.231 8 t，此時應力σl,max=375.3MPa，σs,max=261.7MPa。σl,max超出了許用應力，因此不滿足疲勞強度要求。為了對多圓弧結構進行低應力和低質量設計，本文以多圓弧結構的8個參數(shù)作為設計變量，應力滿足疲勞強度要求作為約束條件和參數(shù)化部分質量最小作為目標函數(shù)建立優(yōu)化問題，數(shù)學模型如下所示。

3.2 多種代理模型的實現(xiàn)

行星架有限元模型每進行一次靜力學分析需耗費時間為5 min左右。由于涉及8個設計變量，在優(yōu)化過程中可能會迭代計算成千上萬次，若基于有限元模型反復計算響應，必將產生巨大的時間成本。為了減少仿真計算時間，可采用代理模型技術[14]，它可以代替實際物理模型的計算過程。

在建立代理模型時，試驗設計方法和近似模型直接影響代理模型的精度[15]，可對比不同試驗設計和近似模型下代理模型的精度選出最優(yōu)方案。采用正交設計、拉丁超立方和優(yōu)化超立方三種試驗設計方法獲取模型樣本點，樣本點數(shù)如表2所示，并利用該樣本點分別構建多項式響應面模型、Kriging模型和徑向基模型，然后使用測試點驗證方法[15]對模型精度進行檢驗，其中驗證樣本點為同一組拉丁超立方抽樣的樣本點。圖9為σl,max應力代理模型精度對比圖。在模型樣本點數(shù)相當?shù)那闆r下，正交試驗設計的代理模型精度明顯優(yōu)于其他兩種設計方法，所以試驗設計方法選用正交設計。在正交設計下，σl,max應力的三階多項式響應面模型精度最高，σs,max應力的徑向基模型精度最高，質量的徑向基模型精度最高，依此可以確定各目標量最優(yōu)的近似模型。各目標量代理模型的優(yōu)選方案如表3所示。

表2 試驗和驗證的樣本點數(shù)

圖9 σl,max應力代理模型的精度對比

表3 各目標量代理模型的優(yōu)選方案及精度

3.3 基于粒子群算法的結構優(yōu)化

在建立高精度的代理模型后，可采用優(yōu)化算法求解優(yōu)化模型的最優(yōu)解。粒子群算法在求解優(yōu)化問題時表現(xiàn)出良好的尋優(yōu)能力，通過迭代尋優(yōu)計算能夠迅速找到最優(yōu)解，因此粒子群算法在工程計算中廣泛應用[16]。本文將質量最小時的參數(shù)作為優(yōu)化初始值，采用粒子群算法對優(yōu)化問題進行求解。

優(yōu)化前后的結果比較如表4所示。從表中可以看出，優(yōu)化后兩圓弧段的應力值為338.5MPa，比優(yōu)化前降低了9.8%，三圓弧段應力變化不大，均滿足疲勞強度條件，同時多圓弧結構質量降低了5.7%。

表4 優(yōu)化前后的變量值及變化量

4 結語

本文提出了基于代理模型和粒子群算法的多圓弧結構優(yōu)化設計方法，并將其應用在風電齒輪箱中行星架上，具體的研究內容及后續(xù)研究任務如下：

1)推導了雙圓弧和三圓弧通用的幾何關系，為多圓弧結構的參數(shù)設計提供了理論依據(jù)，并基于MATLAB和HyperWorks聯(lián)合建模方法建立了多圓弧結構的參數(shù)化模型；

2)結合粒子群算法和代理模型進行多圓弧結構的優(yōu)化設計，降低了多圓弧結構上應力的最大值，并顯著提高了優(yōu)化效率；

3)由于時間和經(jīng)濟等原因，尚未制造出優(yōu)化后的物理模型以對該套方法進行驗證，之后可進一步研究試驗驗證的工作。